工程领域高分子土工合成材料的应用与施工研究

曹周员

（西安医学院，陕西西安 710068）

高分子土工合成材料应用历史较短，但依旧在岩土工程中起到重要建设作用。高分子土工材料作为多功能性材料，在工程应用中，通常由一种功能进行主导，由其他功能进行辅助。高分子聚合物土工合成材料拉伸强度、整体性以及延伸性均较高，由此材料制备成的土工材料具有六大功能，分别是：反滤、排水、防护、加筋、隔离以及防渗。衍生产品在一定周期内的应用已经得到肯定，并完成从单一产品到其他合成材料及复合材料的转变，并广泛应用于水利水电、民用及工业建筑、环保领域、公路建设等项目中。

1 土工材料的种类

土工合成材料与常规钢材、水泥材料及其他金属材料在工程应用上存在差异，高分子聚合物土工合成材料通过压制或拉伸工艺制备成各种样式的建筑材料，例如膜片、带状、网状等，受工程领域发展趋势影响，土工材料的形态设计也越发多样化，工程领域内的实际类别存在较多表述方法，基于《土工合成材料应用技术规范》，大致可以得出土工合成材料的主要种类有以下六种：土工网、玻璃纤维网、土工带、土工格栅、土工垫、土工膜袋。根据基础材料对土工合成材料展开分类的依据不仅包括外观形状，还有工程性能特征。同时，基于参与制备的高分子聚合物基材的不同特性，也可以对土工材料展开进一步分类［1］。

2 高分子土工合成材料功能与应用

2.1 土工材料的功能分析

土工合成材料不仅具备比重小、抗腐蚀、连贯性强等优势特征，还具备渗滤性高、孔隙直径尺寸小以及表面柔和等优点，可以实现与其他组织的有效结合。

土工合成材料的实际应用功能主要包含六点：第一，材料本身具备滤层功能，可以实现透水透气，强化土颗粒稳固性；第二，材料在岩土工程中，具有排水功能，能够代替砂垫层进行疏水与排水；第三，材料能够在不同组织之间起到隔离功能，以此保证组织结构内部不会出现掏空与混杂的问题；第四，材料通过特殊工艺制备，可达成防渗效果，有效避免建筑内部受到路表水与地下水侵蚀渗漏的负面影响；第五，材料具备加筋功能，能够优化土地表面或路面的受力状态，强化地基与路基的承载性；第六，材料具备防护功能，可有效提高土体承受力，减少土体被水流冲击的影响［2］。

土工合成材料及其衍生制品在优势特性的加持下，被广泛应用于各种工程建筑项目，以土工织物为例，由于土工织物具备优良透气性与透水性，能够在水流垂直流过织物表面的空隙时，减少土颗粒的流失，保证土体完整性。基于此，土工织物材料被集中应用于反滤层。将一定重量的土工布放在土壤上，土壤中的水可以集中在织物组织内部的孔隙中，并且可以沿着织物平面形成排水通道，将水从织物中排出。具有一定抗拉强度的土工布也可用作路基底部，通过土工布建立隔离层；粉煤灰路堤底部的建造同样需要采用土工膜或复合土工膜，土工膜能够截断地下水的毛细上升，以此排渗出路堤上方的水。此外，土工合成材料可以应用于水池、填埋场、地下建筑等场地中，起到预防各类液体泄漏的作用。

2.2 土工材料应用现状

2.2.1 土工织物

（1）防裂。土工织物中玻璃纤维合成橡胶板的应用时间较长，能够保证沥青道路完整、不裂缝。但是此类材料在现代化应用过程中，出现了自身不平坦、应力扩散作用小、旧路面贴合效果差等缺点。因此，当代土工织物应用中，将采取单位面积质量较小的针刺无纺布、纸基复合布以及新旧路基接茬铺设方法展开创新性土工合成织物的防裂处理办法［3］。

（2）反滤。在九十年代初期，我国通过实践建设研究发现，土工织物在建筑工程项目中起到良好的反滤效果，并坚持以此材料作为挡墙工程中盲沟的反滤层。随着土工织物建筑效果实践应用得到认可，我国进一步结合实际工程项目，强化土工织物的反滤作用，加深了土工织物用于反滤层的应用。

2.2.2 土工网与土工格栅

土工合成材料中的土工网，主要用于加强软土地基道路的固化，保证低填方路基获得良好稳定性支撑，创建安全可靠的路面。当处于填方较高的情况下，土工网的实际应用会被影响，其抗拉强度将会受限。因此，土工网加固材料的设计与研究开始逐渐转向土工格栅。在以往公路填方路段建设过程中，需要对软基进行加固处理，为保证加固效果，会通过使用双向拉筋格栅进行基底加筋。由于旧路面不具备重做深层加固处理的条件，也不可以大量废弃，同时，在软土基的基础上更易出现裂缝。因此，使用双向格栅更符合公路改造的建设要求。最佳方案便是：首先将已破损的路面进行挖出，之后在挖除后的路基层面上加设土工格栅，最后再补强层。近年来，为尽快控制桥头不均匀沉降的问题，土工格栅应用程度越来越深［4］。

2.2.3 塑料土工带

土工合成材料中的塑料土工带最初应用在加筋挡土墙工程项目中，在细粒土浸水路堤的基础上，获得良好的使用效果。基于此，逐渐将塑料土工带应用于多项桥头填方与立交工程项目中。塑料土工带在工程建筑领域中的意义在于：其能够妥善解决地基尚未加固完全、出现工后沉降的问题，并能保证在处理过后保持正常使用状态。

2.2.4 复合土工布

复合土工布主要用于不透水隔离层中，包括各项构造物基础治理项目，例如防水工程、堤坝、人工湖泊以及路基防水防渗工程。但是，复合土工布的实际尺寸直接决定了其在工程中的具体适应能力。例如，当高分子聚合物土工布的厚度达到1.5mm时，就能保证土工布不被回填材料所产生的土压力与粗颗粒物顶破。

2.2.5 土工排水管

土工排水管属于地上或地下软式排水设施，在较大型工程项目中，会将管径为5cm的土工排水管作为盲沟管，管径5cm的土工排水管能够有效代替管径为20cm的无砂水泥管，同时，土工排水管还具备易弯曲、不易碎、施工便捷的优势特征，能够为工程项目带来较大经济效益［5］。

3 土工合成材料施工发展方向

3.1 综合性能

随着当前科技水平的不断提升，土工合成材料的创新研究与应用也在不断扩展和深入，同时也对其功能与施工技术提出更高要求。例如：针对高寒地区的路基工程，会要求高分子聚合物土工合成材料具备良好抗冻胀功能；针对地震多发地区及高速公路的建设项目，会要求土工合成材料具备相应的抗震与抗蠕变功能；针对水利工程中的排水固沙项目，会要求土工合成材料具备防堵性与透水性；针对液体防渗项目，会要求材料能够在焊接过程中具备耐高温性，并做到无缝焊接；针对植被修复项目，会要求材料在一定周期内完成自然降解，为植物创造良好生长环境。此外，针对土工合成材料的实际施工条件，要求其具备耐腐蚀、耐老化、耐高温等功能［6］。

结合上述功能性要求，将对土工合成材料展开案例式说明。部分土工合成材料在初始功能的基础上，通过改善相应制备工艺实现材料物理机械性、耐穿刺性等功能的提高，此外，在维持原有力学性能的基础上，降低材料用量，促进了企业经济效益的提升。以俄罗斯Machina—TST公司设计研发的土工合成材料INTERTEX为例，此材料通过玻璃纤维与玄武岩粗砂进行强化增固，属于针刺土工复合材料。这一土工合成材料能够优化路基弹性模量，将应力进行分散转移，避免出现反射裂纹的情况，有效延长道路寿命。经实践检验得出，使用该土工合成材料能够延长路面裂缝出现时间，同时使沥青硬度提高1.4倍。

当施工环境相对较差时，会对土工合成材料进行针对性功能强化，例如通过增强材料抗紫外线、抗寒冷以及抗高温的性能，来帮助材料突破环境限制。针对低温冻害问题，设计研发出专门用于隔热排水的土工合成材料，该材料的基材为聚苯乙烯泡沫板，并在泡沫板的基础上缝合导水纤维，以此保证材料在季节性冻土路基中的应用，在排除多余水平的同时，还可有效防止低温冻害。

除改进土工合成材料本身性能外，部分研究人员通过优化材料加工与制备工艺，实现了高分子聚合物土工合成材料综合性能的提高。以土工格栅为例，通过高韧性PET纱线与土工格栅的结合，能够创建出稳定性更高的互锁结构，这一结构保证土工格栅在土壤受力的情况下，依旧保持良好力学稳定性。此外，在原有结构的基础上，对土工格栅进行耐化学、耐紫外线以及耐微生物性能的改进，就使得该材料同时具备了加固与耐久的两种功能，能够在不稳定工程项目中起到重要支撑［7］。

3.2 绿色化

绿色可持续发展是当前工程领域的主流趋势之一，在高分子聚合物土工合成材料的绿色化探索与研究正完成着由口号升为实践的目标。从一定角度出发，土工合成材料，尤其在高分子聚合物的结合下，也属于绿色工程。相较于传统建筑材料，土工合成材料的应用不仅能够减少碳排放、节约材料资源，还能够提升工程耐久性，并同步实现了美化环境的要求。以加筋土工合成材料为例，天然植物纤维材料在工程领域加固项目中的应用历史较长，土工合成材料加筋土挡墙比钢筋混凝土墙更具发展空间。同时，土工合成材料自身存在的间隙还保证了生态环境的可持续性发展，可以直接作用于植被绿化、坡面修复等项目，赋予工程一定的环保意义［8］。

高分子聚合物融合土工合成材料，一方面可以推进工程领域的绿色可持续属性，另一方面可以突出土工合成材料已有的绿色环保属性与标志。针对土工合成材料的绿色化研究、制备以及施工过程，需要着重强调材料本身的天然性与可降解性，且在使用过程中经受各种破坏因素的作用而能保持其耐久性能。高分子聚合物与土工合成材料的融合大体分为两个角度，一是土工合成材料本身符合回收再利用与资源可再生，二是符合可生物降解。从工程领域的需求出发，材料耐久性与可降解性存在一定冲突，基于此，只有在特定工程中，例如坡面植被修复，才会要求土工合成材料具备可降解性能。通过回收材料进行土工合成材料制备与加工，这一方式代表材料的循环应用符合绿色发展理念。

想要实现土工合成材料绿色化全过程，首先需要从源头出发，通过天然材料进行土工合成材料的制备。例如玄武岩纤维，此材料具备良好稳定性与绝缘性，其在加工过程中不会造成较大环境污染,且废弃产品还可以直接投入生态环境中。此外，可生物降解的天然纤维材料也是土工合成材料绿色化发展的主要应用物质，例如麻、椰壳等，此类材料能够满足坡面保护、植被修复等特殊化工程项目［9］。

3.3 智能化

在工程建造过程中，通常会受到土壤发生位移与变形的不可控问题影响，这一问题也是当前岩土工程中面临的安全隐患之一。因此，针对土工合成材料的研究开始向智能化方向发展，以土工布为例，其研究与发展方向为实时监测、信息传输技术与土工布的有机融合。当土工布具备实时监测与信息传输功能后，即可通过接收监测机传回的机械形变数据、温度数据、孔隙压力数据、应变数据等信息，来判断岩石结构的实时状况，以保证对岩石位置与结构的安全性预判。通常情况下，智能化土工布可分为两类，一类是将常规土工织物与传感器进行结合，从而使常规土工织物具备智能化传感功能；另一类是将常规土工织物与机敏材料进行杂糅复合，从而生成智能化土工布。其中，由于光纤与纤维物质形态相近，且便于加工，所以，会以光纤为数据传输的主要载体，成为智能化土工布的内置传感器。

智能化土工布在使用机敏材料时，会将具有导电性的特殊材料以涂层、层压的方式与土工布进行融合，特殊材料包括石墨烯、碳纳米管等，此类机敏材料能够有效提高土工布的导电性与导热性。之后，检测人员即可通过电阻变化情况来判断材料的实际变化情况。与内置传感器的制备工艺相比，机敏材料与土工织物的结合可以进一步降低智能化土工布的生产成本。智能化土工布在工程领域中提供了健康监测作用，能够切实保证工程的安全性与健康性，包括边坡变形监测、垃圾填埋场和尾矿等渗滤液监测［10］。

4 结语

综上，随着科技进步与社会发展，土工合成材料或将在全球迎来大范围、多样式应用。欧美国家在土工合成材料领域领先于其他国家，拥有高端的市场与先进的技术，而我国等发展中国家的土工合成材料市场是由基础建设设施才推动发展的。我国应吸取采纳欧美等发达国家的先进技术与理念，多与外界沟通；在技术创新与研究上，应明确土工合成材料的发展方向，专心钻研、不断创新核心技术。同时，市场上应创立完整的产业链，促进其发展速度，扩大应用范围。此外，在与其他国家相互探讨学习时，应加强信息资源与技术的共享，在国际市场中打响我国品牌，促进土工合成材料产业的快速发展。